JP2004510906A - 触媒装置を有する内燃機関の排気ガス装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、触媒装置１１３、特にＮＯｘ貯蔵触媒装置を有し、その際、この触媒装置１１３の手前に、冷却区間１１２が設けられている、特に自動車の内燃機関の排気ガス装置１１０に関する。この場合、冷却区間１１２は、多数の別個の排気ガス供給導管１１４を備えており、及び／または、この冷却区間に、付加的な冷却手段３３；３４；３６が、全てのその都度の、種々の排気ガス質量流量を有する内燃機関の作動相において、排気ガスからの熱エネルギー放出が排気ガス内に含まれる熱エネルギー（相対的な熱エネルギー放出）に関連して増大するように、設けられており、その結果、排気ガス質量流量の中間の値に関して、最大の温度降下が生じるように構成されている。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による、触媒装置、特にＮＯｘ貯蔵触媒装置を有し、その際、この触媒装置の手前に、冷却区間が設けられている、特に自動車の内燃機関の排気ガス装置に関する。
【０００２】
直接燃料噴射装置を有するオットーエンジン用に、窒素酸化物転換のために、益々、ＮＯｘ貯蔵触媒装置が使用される。これに伴って、十分に高い転換率が、ただ相対的に幅の狭い排気ガス温度範囲内においてだけで達せられるので、エンジン作動、および触媒装置システムを、貯蔵触媒装置内への入口における排気ガス温度が可能な限り大きな作動領域のために、この温度範囲の内側にあるように相互に適合させることは必要である。
【０００３】
上側の温度限界の超過を防止するために、冷却区間を有する排気ガス装置の使用は有効であり、その際、この冷却区間が、排気ガス温度を合目的に降下させる。従って同時に、触媒装置システムの熱的な負荷は降下され、且つ、これに伴い、耐用期間が増大する。従って、例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第１９９　０５　３４５号明細書から、三元触媒コンバータおよび後続して設けられたＮＯｘトラップを有する、燃焼エンジンの排気ガス流を処理するための、自動車用の排気ガス後処理装置が公知である。この三元触媒コンバータとＮＯｘトラップとの間で、排気ガスは、連続的な流れを有している排気温度調整路を備える感応型の並列通路を通って案内される。これによって、より迅速に流れる排気ガスが、優勢に、より高い熱エネルギー放出を有する通路を通って、および、遅鈍に流れる排気ガスが、優勢に、より低い熱エネルギー放出を有する通路を通って流れ、従って、このＮＯｘトラップの手前での温度が、所定の範囲内において保持されることは、達成される。この構成により、低い排気ガス質量流量のために、相対的な熱放出（排気ガス内に含まれる全ての熱に関連する熱放出）は低減され、これに対して、高い排気ガス質量流量に関する相対的な熱放出は増大される。しかしながら、この配設は、労力と費用が掛かり、特に場合によっては必要なメンテナンス作業または修理の場合に労力と費用が掛かる。
【０００４】
従って、本発明の根底をなす課題は、上述の様式の排気ガス装置を提供することであり、この排気ガス装置において、僅かの経費でもって、上側の温度限界の超過が、可能な限り、内燃機関の全リーン・バーン運転領域のために防止される。
【０００５】
この課題は本発明に従い、請求項１における典型的な特徴を有する上述の様式の排気ガス装置によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項において与えられている。
【０００６】
上記の目的のために、本発明により、冷却区間が、適当な様式で、多フロー形に構成されており、及び／または、付加的な冷却手段が備えており、このことによって、全てのその都度の、種々の排気ガス質量流量を有する内燃機関の作動相において、排気ガスからの熱エネルギー放出が、排気ガス内に含まれる熱エネルギー（相対的な熱エネルギー放出）に関連して増大する。
【０００７】
上記のことは、冷却区間による温度降下の最大値が、定格出力点に関連して、排気ガス質量流量の中間の値（ｍｉｔｔｌｅｒｅｎ Ｗｅｒｔｅｎ）のところに位置し、従って、最も強い冷却作用は、触媒装置の手前の排気ガス温度がまさにリーン・バーン運転のための上側の温度限界に到達する時に生じることの利点を有している。付加的な冷却手段によって、温度降下の最大値が、より高い排気ガス質量流量へと変位し、且つこのことによって、最適に、エンジン作動状態に適合される。
【０００８】
熱伝達面の表面積拡大のために、付加的な冷却手段は、外側で、冷却区間に沿って設けられた、周面に従い均等に分配された、且つ外方へと突出するリブを備えている。
【０００９】
雰囲気に対する排気ガスからの、より高い熱放出の結果を伴う表面積拡大、並びに乱流形成のために、付加的な冷却手段は、少なくとも１つの熱交換器として形成された、長手方向の延在において交番する長円形性を有する排気ガス供給導管を備えている。
【００１０】
更に別の表面積拡大、および改良された乱流形成は、付加的な冷却手段が、少なくとも１つの長手方向に波形の排気ガス供給導管を備えていることによって達成される。
【００１１】
付加的な冷却手段が、少なくとも１つの内方へと延在する押し込み加工部を有する排気ガス供給導管を備えていることにより、熱伝達面の表面積拡大と同様に、貫通流動する排気ガス流の乱流形成も達成される。
【００１２】
冷却区間内における排気ガス流の乱流形成、並びに同時の表面積拡大のために、付加的な冷却手段は、少なくとも１つの、内側の条溝を有する排気ガス供給導管を備えており、これら条溝が、最適に、流過方向に傾斜して配置されている。
【００１３】
特に有利な実施形態において、付加的な冷却手段は、少なくとも１つの、断面において、多角形の（ｎ−ｅｃｋｉｇｅ）、矩形の、三角形の、半円形の、または半長円形の排気ガス供給導管を備えている。
【００１４】
排気ガスからの熱放出の更なる増大は、付加的な冷却手段が、少なくとも１つの、冷却区間の領域内において設けられた、熱放出を促進する被覆を有しており、及び／または、この付加的な冷却手段が、外側の空気流でもってこの冷却区間に吹き付けるための装置を備えていることによって達成される。
【００１５】
本発明の更なる特徴、利点、および有利な実施形態は、従属請求項から、並びに、添付された図に基づく本発明の以下の説明から与えられる。
【００１６】
図１は、曲線（ａ）において、排気ガス質量流量、もしくは車両速度に依存する、旧来の排気ガス装置を介して生じる温度降下を、定性的に具体的に説明している。その際に、この温度降下（破線で書かれた）に関して、典型的な経過が明らかであり、この経過は、低い排気ガス質量流量から中間の排気ガス質量流量へと、先ず第一に上昇し、および引き続いて、高い排気ガス質量流量に向かって再び低下する。本発明により、ここで、排気ガス装置の冷却作用が、最適に、この直接噴射のオットーエンジンを有する車両の作動状態に適合される。この目的で、熱放出（図１内における実線）を全体で高めるために、図２に図示された排気ガス装置１１０は、多フロー形に構成され、及び／または、付加的な冷却手段を、冷却区間１１２の領域において、触媒装置１１３の手前で備えている。このことは、図１における曲線（ｂ）および曲線（ｃ）によって具体的に説明されている。この図示された、多フロー形の冷却区間１１２（図２）は、多数の排気ガス供給導管１１４を備えている。排気ガスは、参照符号１１６のところで流入し、且つ参照符号１１８のところから流出する。
【００１７】
最も強い冷却作用の領域が、例えばＮＯｘ貯蔵触媒装置として形成された触媒装置１１３の手前の排気ガス温度が、まさにリーン・バーン運転のための上側の温度限界に到達する時に生じることは有利である。その際に、この排気ガス温度は、典型的に、約４００℃から５５０℃までの領域の中に存在し、このことは、エンジン−伝達装置−車両−組合せ（Ｍｏｔｏｒ−Ｇｅｔｒｉｅｂｅ−Ｆａｈｒｚｅｕｇ−Ｋｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）に依存して、約６０ｋｍ／ｈから１６０ｋｍ／ｈまでの速度範囲に相応している（平面内における一定走行）。
【００１８】
本発明による冷却特性のために、排気ガス装置の設計の際、以下の点、即ち；
１．　管の数、並びにこれら管の直径および長さによる、熱放出する表面の大きさ、
２．　例えば乱流の増大による、内部の熱伝達の増大、
３．　外気、例えば、空気案内部材、もしくは空気案内通路、またはファンを通過する、走行風でもっての、適切な空気の流れによる、外側の熱伝達係数の改良、
４．　例えば、特別の表面被覆による、放射熱放出の増大、
が、相互に適合される。
【００１９】
これら上記のことによって、絶対的な冷却レベルが増大されるだけでなく、最大の冷却作用の点もしくは領域（図１における点１２０）も、より高い排気ガス質量流量（より高い車両速度）へと変位される。このことは、所定の熱放出する表面において、冷間始動特性が、従ってただほんの少しだけ負に影響を及ぼされるだけであるので、それ故に特に有利である。ここで、可能な限り迅速な触媒装置の加熱が行われるべきであり、このことは、可能な限り僅かの、排気ガス装置を介しての熱放出を、および、可能な限り僅かの熱的に不活性な質量を必要とする。それに加えて、上記のことによって、触媒装置が、非常に低い車両速度（および、付加的に、僅かの周囲温度）の際に、過度に迅速に下側の作動範囲を再び離れることは、回避される。
【００２０】
図１において、付加的に、排気ガス内に含まれる全ての熱に関連する、管壁を介して放出される熱（相対的な熱放出）が、記されている（実線１２２）。この熱（相対的な熱放出）が、増大する排気ガス質量流量（増大する車両速度）と共に、全ての実施形態に関して減少することは、特徴的である。
【００２１】
図３ａおよび図３ｂにおいて、本発明による排気ガス装置の有利な実施形態における測定値が、グラフで、および表によって示されている。この場合、図３ａにおいて、冷却区間１１２にわたって生じる排気ガス温度降下が、排気ガス質量流量（車両速度）に依存して記されている。直接的に見て取れるように、所望の速度領域内において、ＮＯｘ貯蔵触媒装置１１３の手前での最大の排気ガス温度降下が得られている。更に、相対的な熱放出の検出された経過が記されている。
【００２２】
図４から１３までにおいて、付加的な冷却手段に関する種々の可能性が図示されている。図４および５による、熱交換器１４として形成された排気ガス供給導管１２は、外側に設けられた、周面に従い均等に分配された、且つ外方へと突出するリブ３３を備えている。これらリブ３３は、この排気ガス供給導管１２の熱伝達面の表面積拡大の、およびこれに伴って、雰囲気に対する改善された熱伝達の役目を果たしている。図６、７は、熱交換器１４として形成された、長手方向の延在において交番する長円形性を有する排気ガス供給導管１２を示している。このことは、表面積拡大と同様に、排気ガス供給導管１２を通って流れる排気ガス流の乱流形成も誘起する。図８、９において、長手方向に波形の排気ガス供給導管１２が図示されている。同様にここで、表面積拡大と、排気ガス流の乱流形成が、この排気ガス供給導管１２内において与えられる。図１０、１１による排気ガス供給導管１２は、周面に従い、内方へと延在する押し込み加工部３４を備えており、このことによって、熱伝達面の表面積拡大と同様に、貫通流動する排気ガス流の乱流形成も与えられる。図１２、１３は、内側において条溝３５を備えている排気ガス供給導管１２を示しており、その際、これら条溝３５が、流過方向に、同様に傾斜して位置されていても良い。これら条溝３５は、この排気ガス供給導管１２内における排気ガス流の乱流形成の役目を果たし、且つ、同時に、この排気ガス供給導管１２の熱伝達面の表面積拡大を可能にする。
【００２３】
図示されていない実施形態により、熱交換器１４として形成された排気ガス供給導管１２は、乱流増大のために、断面において、同様に、多角形の、矩形の、三角形の、半円形の、または半長円形の管としても形成され得る。その際、熱交換器１４として形成された排気ガス供給導管１２内における乱流の形成は、特に、熱い排気ガスから相応する排気ガス供給導管１２の外側壁に対する熱伝達の増大の役目を果たす。更に、この排気ガス供給導管１２内における排気ガスの乱流形成によって、増大する導管長さでもって形成する温度層状態、即ち、外側の冷たい排気ガス流と内側の熱い排気ガス流の形成は防止される。
【００２４】
更なる、図示されていない実施形態により、熱交換器１４として形成された排気ガス供給導管は、熱放出を促進する被覆を備えていることができ、及び／または、これら排気ガス供給導管の場合によっては立体成形された外側の面が、熱放出を促進する外側の空気流でもって吹き付けられても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】
排気ガス質量流量もしくは車両速度に依存する、相対的な熱放出、並びに温度降下のグラフ図である。
【図２】
本発明による排気ガス装置の有利な実施形態の図である。
【図３ａ】
排気ガス質量流量に依存する、相対的な熱放出、並びに温度降下の、更なるグラフ図である。
【図３ｂ】
図３によるグラフに関する数値表である。
【図４】
熱交換器として形成された排気ガス供給導管の、種々の実施形態の概略的な側面図である。
【図５】
図４による、排気ガス供給導管の概略的な正面図である。
【図６】
熱交換器として形成された排気ガス供給導管の、種々の実施形態の概略的な側面図である。
【図７】
図６による、排気ガス供給導管の概略的な正面図である。
【図８】
熱交換器として形成された排気ガス供給導管の、種々の実施形態の概略的な側面図である。
【図９】
図８による、排気ガス供給導管の概略的な正面図である。
【図１０】
熱交換器として形成された排気ガス供給導管の、種々の実施形態の概略的な側面図である。
【図１１】
図１０による、排気ガス供給導管の概略的な正面図である。
【図１２】
熱交換器として形成された排気ガス供給導管の、種々の実施形態の概略的な側面図である。
【図１３】
図１１２による、排気ガス供給導管の概略的な正面図である。

Claims (10)

1. 触媒装置（１１３）、特にＮＯｘ貯蔵触媒装置を有し、その際、この触媒装置（１１３）の手前に、冷却区間（１１２）が設けられている、特に自動車の内燃機関の排気ガス装置（１１０）において、
   冷却区間（１１２）が、多数の別個の排気ガス供給導管（１１４）を備えており、及び／または、
   この冷却区間に、付加的な冷却手段（３３；３４；３６）が、
   全てのその都度の、種々の排気ガス質量流量を有する内燃機関の作動相において、排気ガスからの熱エネルギー放出が排気ガス内に含まれる熱エネルギー（相対的な熱エネルギー放出）に関連して増大するように、設けられており、
   その結果、排気ガス質量流量の中間の値に関して、最大の温度降下が生じるように構成されていることを特徴とする排気ガス装置。
2. 付加的な冷却手段は、外側で、冷却区間（１１２）に沿って設けられた、周面に従い均等に分配された、且つ外方へと突出するリブを備えていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス装置（１１０）。
3. 付加的な冷却手段は、少なくとも１つの熱交換器として形成された、長手方向の延在において交番する長円形性を有する排気ガス供給導管を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス装置（１１０）。
4. 付加的な冷却手段は、少なくとも１つの長手方向に波形の排気ガス供給導管を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の排気ガス装置（１１０）。
5. 付加的な冷却手段は、少なくとも１つの内方へと延在する押し込み加工部（３４）を有する排気ガス供給導管を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の排気ガス装置（１１０）。
6. 付加的な冷却手段は、少なくとも１つの、内側の条溝（３５）を有する排気ガス供給導管を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の排気ガス装置（１１０）。
7. 条溝は、流過方向に傾斜して配置されていることを特徴とする請求項６に記載の排気ガス装置（１１０）。
8. 付加的な冷却手段は、少なくとも１つの、断面において、多角形の、矩形の、三角形の、半円形の、または半長円形の排気ガス供給導管を備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の排気ガス装置（１１０）。
9. 付加的な冷却手段は、少なくとも１つの、冷却区間の領域内において設けられた、熱放出を促進する被覆を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の排気ガス装置（１１０）。
10. この付加的な冷却手段は、外側の空気流でもってこの冷却区間に吹き付けるための装置を備えていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の排気ガス装置（１１０）。

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